DE112006001969T5 - Leistungs-Halbleiter-Bauteil vom Grabentyp mit geteilter Gate-Elektrode - Google Patents

Leistungs-Halbleiter-Bauteil vom Grabentyp mit geteilter Gate-Elektrode Download PDF

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Abstract

Leistungs-Halbleiter-Bauteil, mit:
einem Halbleiter-Körper, der einen Drift-Bereich eines Leitungstyps und einen Basis-Bereich des anderen Leitungstyps einschließt;
einem Gate-Graben, der sich zumindest durch den Basis-Bereich erstreckt;
einer Gate-Isolations-Auskleidung, die zumindest die Seitenwände des Gate-Grabens auskleidet;
einer Gate-Elektrode benachbart zu jeder der Gate-Isolationen;
einem Isolier-Block, der zwischen den Gate-Elektroden und benachbart zu jeder Gate-Elektrode eingefügt ist;
leitenden Bereichen des einen Leitungstyps benachbart zu dem Gate-Graben; und
einer erste Leistungs-Elektrode, die elektrisch mit den leitenden Bereichen verbunden ist.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNG
  • Diese Anmeldung beruht auf und beansprucht den Vorteil der provisorischen US-Patentanmeldung Nummer 60/702,919 vom 27.Juli 2005 mit dem Titel „SPLIT ELECTRODE GATE TRENCH MOSFET STRUCTURE AND PROCESS AND SF6 ETCH PROCESS", deren Priorität hiermit beansprucht wird und deren Inhalt durch diese Bezugnahme mit aufgenommen wird.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungs-Halbleiter-Bauteile und insbesondere auf Leistungs-Halbleiter-Bauteile vom Grabentyp mit einem MOS-Gate.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Leistungs-Halbleiter-Bauteile werden überwiegend in Leistungs-Management-Anwendungen verwendet, beispielsweise Leistungswandlern und Leistungsversorgungen. In vielen Anwendungen steht die Effizienz des Leistungswandlers in enger Beziehung zu der Effizienz des darin verwendeten Leistungs-Halbleiter-Bauteils. Um eine höhere Effizienz zu erzielen müssen die Stromleitungs-Eigenschaften des Halbleiter-Bauteils verbessert werden, wodurch dessen Einschalt-Widerstand verringert wird. Um die Stromleitungs-Eigenschaften beispielsweise eines Halbleiter-Bauteils vom Grabentyp mit MOS-Gate zu vergrößern, kann die Teilung (der Zellen-zu-Zellen-Abstand) verringert werden. Zur Verringerung der Teilung muss jedoch auch die Gate-Ladung verringert werden, um Qgd zu verringern.
  • Es ist wünschenswert, die Stromleitungs-Eigenschaften eines Leistungs-Halbleiter-Bauteils zu verbessern, ohne dass dies nachteilige Auswirkungen auf die Qgd hat.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Leistungs-Halbleiter-Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung schließt einen Halbleiter-Körper mit einem Drift-Bereich von einem Leitungstyp und einen Basis- Bereich vom anderen Leitungstyp, einen Gate-Graben, der sich zumindest durch den Basis-Bereich erstreckt, eine Gate-Isolations-Auskleidung, die zumindest die Seitenwände des Gate-Grabens auskleidet, eine Gate-Elektrode benachbart zu jeder Gate-Isolation, einen Isolations-Block, der zwischen den Gate-Elektroden und benachbart zu jeder Gate-Elektrode angeordnet ist, leitende Bereiche des einen Leitungstyps benachbart zu dem Gate-Graben und eine erste Leistungs-Elektrode ein, die elektrisch mit dem leitenden Bereichen verbunden ist.
  • Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird die Gate-Elektroden-Masse verringert (wodurch die Gate-Ladung verringert wird) und die Überlappung zwischen der Gate-Elektrode und dem Drain-Bereich wird ebenfalls verringert, wodurch Qgd verringert wird. Als Ergebnis können bekannte Lösungen, die beispielsweise ein dickes Oxid am Boden des Grabens erfordern, fortgelassen werden.
  • Ein Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung kann weiterhin eine Verbindungs-Einrichtung einschließen, die die Gate-Elektroden verbindet.
  • Um den Widerstand der Gate-Elektroden zu verringern, kann jede Gate Elektrode einen silizidierten Teil einschließen, der einen elektrischen Kontakt mit einer Gate-Schiene ergibt, und/oder die Gate-Elektroden können von dem Halbleiter-Körper vorspringen.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der Erfindung ersichtlich, die sich auf die beigefügten Zeichnungen bezieht.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht einer einzigen Zelle eines Leistungs-Halbleiter-Bauteils gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 2A–2J zeigen ausgewählte Schritte bei der Herstellung eines Leistungs-Halbleiter-Bauteils gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht einer einzigen aktiven Zelle eines Bauteils gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4 zeigt eine Querschnittsansicht einer einzigen aktiven Zelle eines. Bauteils gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5A–5D zeigen ausgewählte Schritte bei dem Prozess der Herstellung eines Bauteils gemäß der dritten Ausführungsform.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • In 1 schließt eine aktive Zelle eines Leistungs-Halbleiter-Bauteils, das vorzugsweise ein Leistungs-MOSFET ist, einen Gate-Graben 10 ein, der in einem Halbleiter-Körper 12 ausgebildet ist, beispielsweise einem epitaxial gebildeten Silizium. Eine Gate-Oxid-Auskleidung 14 kleidet zumindest jede Seitenwand des Grabens 10 und vorzugsweise und auch dessen Boden aus. Eine Gate-Elektrode 16 ist im Inneren des Grabens 10 benachbart zu dem Gate-Oxid 14 angeordnet. Bei der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Gate-Elektrode 16 einen π-förmigen Querschnitt mit zwei vertikal ausgerichteten Fingern 16' und einem horizontal ausgerichteten Verbindungsstück 16'' auf, das die zwei gegenüberliegenden und mit Abstand voneinander angeordneten Finger 16' verbindet. Der Abstand zwischen den Fingern 16' ist mit einem Isolier-Block 18 gefüllt. Die Gate-Elektrode 16 ist vorzugsweise aus leitendem Polysilizium hergestellt, deren Oberseite bei 20 silizidiert ist, um ihre Leitfähigkeit zu vergrößern. Die Silizidierung ist besonders vorteilhaft für die Verringerung von Rg (Gate-Widerstand) wenn die Gate-Graben 10 schmaler gemacht werden. Im einzelnen ist bei einem Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest eine Gate-Schiene vorgesehen, um die Gate-Elektroden miteinander zu verbinden. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die silizidierten Teile mit der Schiene verbunden, um den Widerstand zwischen der Schiene und den Gate-Elektroden zu verringern, wodurch der Gesamt-Rg des Bauteils verringert wird.
  • Ein Leistungs-MOSFET gemäß der bevorzugten Ausführungsform schließt einen Drift-Bereich 24 des einen Leitungstyps (beispielsweise des N-Typs), einen Basis-Bereich 22 des anderen Leitungstyps (beispielsweise P-Typ), Source-Bereiche des einen Leitungstyps, und eine Source-Elektrode 28 ein, die ohmisch mit dem Source-Bereichen 26 verbunden und gegen den Basis-Bereich 22 über eine hohe Leitfähigkeit aufweisende Kontaktbereiche 30 des gleichen Leitungstyps wie der Basis-Bereich 22 kurzgeschlossen ist, jedoch von der Gate-Elektrode 16 durch eine Isolierkappe 32 isoliert ist. Es sollte festgestellt werden, dass die Drift-Schicht 24 vorzugsweise über einem Silizium-Substrat 34 des einen Leitungstyps gebildet ist. Die Drain-Elektrode 36 steht im ohmschen Kontakt mit dem Substrat 34, wodurch der Strom in vertikaler Richtung von der Source-Elektrode 28 zur Drain-Elektrode. 36 fließt, wenn ein Kanal in dem Basis-Bereich 22 benachbart zu dem Graben 10 zwischen dem Source-Bereich 26 und dem Drift-Bereich 24 bei Anlegen von zumindest der Schwellenwert-Spannung an die Gate-Elektrode 16 gebildet wird.
  • Bei erneuter Betrachtung der 2A–2J ist zu erkennen, dass zur Herstellung eines Bauteils gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Halbleiter-Körper 12, der einen Source-Bereich 26, einen Basis-Bereich 22 und einen Drift-Bereich 24 einschließt, mit einer harten Maske 38 (beispielsweise einer Si3N4-Maske) maskiert wird. Die harte Maske 38 schließt Öffnungen 40 ein, die Bereiche in dem Halbleiter-Körper 12 definieren, die mit Gräben zu versehen sind. Danach wird ein Gate-Graben 10 in dem Halbleiter-Körper 12 zumindest durch den Basis-Bereich 22 hindurch unter Verwendung irgendeines geeigneten Ätz-Verfahrens gebildet, um die in 2A gezeigte Struktur zu gewinnen.
  • Als nächstes werden die Seitenwände und der Boden des Grabens 10 unter Verwendung irgendeines bekannten Verfahrens oxidiert, um ein Gate-Isolations-Oxid 14 auf diesen bis zu einer Dicke von vorzugsweise 500 Å zu bilden, wie dies in 2B gezeigt ist. Danach wird ein Schicht aus Polysilizium 40 abgeschieden, um zumindest die Gate-Isolation 14 zu bedecken, wie dies in 2C gezeigt ist, worauf irgend welches überschüssiges Polysilizium 40 von zumindest dem Boden des Grabens 10 entfernt wird (wobei das Oxid verbleibt), so dass Polysilizium-Auskleidungen 42 entlang der Seitenwand des Grabens 10 verbleiben, wie dies in 2D gezeigt ist.
  • Als nächstes wird ein Oxid-Füllmaterial abgeschieden, um zumindest den Graben 10 (2E) zu füllen, worauf ein Teil hiervon entfernt wird, um einen Isolations-/Oxid-Block 18 am Boden des Grabens 10 verbleiben zu lassen, wie dies in 2F gezeigt ist.
  • Als nächstes wird Polysilizium 46 über dem Oxid-Block 18 abgeschieden, um die Polysilizium-Auskleidungen 42 miteinander zu verbinden, wie dies in 2G gezeigt ist. Das Polysilizium 46 wird dann silizidiert, um einen Silizid-Körper 20 zu bilden, wie dies in 2H gezeigt ist. Es sei bemerkt, dass als Ergebnis eine Gate-Elektrode 16 in diesem Schritt gebildet wird.
  • Als nächstes wird die harte Maske 38 entfernt (2I), und ein vorzugsweise eine niedrige Dichte aufweisender Oxid-Körper 46 (beispielsweise TEOS) wird über zumindest dem Silizid-Körper 20 abgeschieden. Danach werden konventionelle Schritte ausgeführt, um ein Bauteil gemäß 1 zu gewinnen. Es ist festzustellen, das obwohl lediglich eine einzige aktive Zelle und ein Prozess zur Bildung einer einzigen Zelle in den 1, 2A–2J gezeigt ist, bei einem Bauteil gemäß der vorliegenden Erfindung eine Vielzahl von aktiven Zellen gleichzeitig gebildet werden würde. Somit sollte die Erfindung nicht als auf eine einzige aktive Zelle beschränkt betrachtet werden.
  • Als nächstes wird auf die 3 Bezug genommen, bei der in einem Bauteil gemäß der zweiten Ausführungsform die Seitenwände des Grabens 10 verjüngt sind. Weiterhin springt die Gate-Elektrode 16 aus dem Gate-Graben hervor, das heißt sie erstreckt sich aus dem Graben 10 heraus über die obere Oberfläche des Halbleiter-Körpers 12.
  • Um ein Bauteil gemäß der zweiten Ausführungsform herzustellen, wird der Graben so gebildet, dass er sich verjüngende Seitenwände anstelle von vertikalen Seitenwänden aufweist. Um die vorspringenden Gates zu bilden, lässt man Polysilizium 44 (2F) im Inneren der Öffnung 40 der Maske 38 verbleiben, es wird dann silizidiert, und wenn die Maske 38 entfernt wird, bleibt eine Gate-Elektrode 16 zurück, die aus dem Graben vorspringt.
  • Gemäß 4 schließt ein Bauteil gemäß der dritten Ausführungsform ebenfalls einen Gate-Graben 10 mit vorzugsweise sich verjüngenden Seitenwänden ein. Im Gegensatz zu den ersten und zweiten Ausführungsformen schließt die Gate-Elektrode 16 jedoch kein Verbindungsstück 16'' ein. So schließt die dritte Ausführungsform lediglich Gate-Finger 16' (oder Gate-Auskleidungen 16') ein. Weiterhin ist ein dicker Oxid-Körper 50 am Boden des Gate-Grabens 10 vorgesehen, der sich unter die Gate-Auskleidungen 16' erstreckt. Daher wird in einem modifizierten Prozess nach der Bildung des Gate-Oxids 14 auf den sich verjüngenden Seitenwänden eines Gate-Grabens 10 ein Graben-Oxid 50 an dem Boden des Grabens 10 gebildet, wie dies in 5A gezeigt ist. (Es sei bemerkt, dass in einem Prozess zur Herstellung der zweiten und dritten Ausführungsformen ein Polysilizium-Körper 51 wahlweise über dem Halbleiter-Körper 12 und unter der harten Maske 38 gebildet wird. Der Polysilizium-Körper 51 wird zur Verbesserung der harten Maske 38 verwendet. Speziell wird zum Verhindern einer unerwünschten mechanischen Beanspruchung der harten Maske 38 Polysilizium 51 verwendet, was es ermöglicht, die „vorspringende" Struktur aufzubauen und zu erzeugen, ohne dass unerwünschte mechanische Beanspruchungen hervorgerufen werden).
  • Als nächstes werden Polysilizium-Gate-Auskleidungen 16' benachbart zu den Seitenwänden des Grabens 10 durch eine Polysilizium-Abscheidung und durch Ätzen gebildet. Die Polysilizium-Gate-Auskleidungen 16' können so ausgebildet werden, dass sie vorspringen, in dem sie sich über den Graben hinaus erstrecken, und wahlweise (oder alternativ) kann Silizid 20 verwendet werden, um Rg zu verringern. Danach wird, wie dies in 5C gezeigt ist, Oxid im Inneren des Grabens abgeschieden, wodurch der Oxid-/Isolations-Block 18 gebildet wird.
  • Nach der Oxid-Abscheidung werden die harte Maske 38 und das darunter liegende Polysilizium 51 entfernt, um das darunter liegende Silizium freizulegen, und Source-Bereiche 26, Bereiche 30, ein Basis-Bereich 22 werden durch konventionelle Implantations- und Diffusions-Schritte gefolgt von konventionellen Schritten gebildet, um Elektroden 28 und 36 zu bilden, um ein Bauteil gemäß der dritten Ausführungsform zu gewinnen.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung mit speziellen Ausführungsformen hiervon beschrieben wurde, werden vielfältige andere Abänderungen und Modifikationen und andere Anwendungen für den Fachmann ersichtlich. Es wird daher bevorzugt, dass die vorliegende Erfindung nicht durch die spezielle Beschreibung beschränkt ist, sondern lediglich durch die beigefügten Ansprüche.
  • Zusammenfassung
  • Ein Leistungs-Halbleiter-Bauteil, das Gate-Auskleidungen, die sich entlang von Gate-Isolier-Auskleidungen erstrecken, und einen Isolier-Block einschließt, der die zwei Gate-Auskleidungen in Abstand hält.

Claims (18)

  1. Leistungs-Halbleiter-Bauteil, mit: einem Halbleiter-Körper, der einen Drift-Bereich eines Leitungstyps und einen Basis-Bereich des anderen Leitungstyps einschließt; einem Gate-Graben, der sich zumindest durch den Basis-Bereich erstreckt; einer Gate-Isolations-Auskleidung, die zumindest die Seitenwände des Gate-Grabens auskleidet; einer Gate-Elektrode benachbart zu jeder der Gate-Isolationen; einem Isolier-Block, der zwischen den Gate-Elektroden und benachbart zu jeder Gate-Elektrode eingefügt ist; leitenden Bereichen des einen Leitungstyps benachbart zu dem Gate-Graben; und einer erste Leistungs-Elektrode, die elektrisch mit den leitenden Bereichen verbunden ist.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin ein Verbindungs-Element umfasst, das die Gate-Elektroden miteinander verbindet.
  3. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin eine Gate-Schiene umfasst, die elektrisch mit den Gate-Elektroden verbunden ist, wobei jede Gate-Elektrode einen silizidierten Teil einschließt, der einen elektrischen Kontakt mit der Gate-Schiene ergibt.
  4. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem die Gate-Elektroden aus dem Halbleiter-Körper heraus vorspringen.
  5. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem das Bauteil ein Leistungs-MOSFET ist.
  6. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin einen Isolier-Körper an dem Boden des Gate-Grabens umfasst, wobei der Isolier-Körper dicker als die Gate-Isolier-Auskleidungen ist.
  7. Bauteil nach Anspruch 1, bei dem Gate-Isolier-Auskleidungen, der Isolier-Block und der Isolier-Körper aus einem Oxid bestehen.
  8. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin eine Gate-Schiene umfasst, wobei jede der Gate-Elektroden elektrisch mit der Gate-Schiene über einen einen niedrigen spezifischen Widerstand aufweisenden silizidierten Teil verbunden ist.
  9. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin ein silizidiertes Verbindungs-Element umfasst, das die Gate-Elektroden mit einer Gate-Schiene verbindet.
  10. Bauteil nach Anspruch 1, das weiterhin ein Substrat des einen Leitungstyps umfasst, wobei der Halbleiter-Körper auf dem Substrat angeordnet ist, und weiterhin eine zweite Leistungs-Elektrode umfasst, die elektrisch mit dem Substrat verbunden ist.
  11. Bauteil nach Anspruch 10, bei dem die erste Leistungs-Elektrode eine Source-Elektrode ist, die zweite Leistungs-Elektrode eine Drain-Elektrode ist, und die leitenden Bereiche Source-Bereiche sind.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Leistungs-Halbleiter-Bauteils, mitden folgenden Schritten: Bilden von Gräben in einem Halbleiter-Körper, der einen Drift-Bereich und einen Basis-Bereich benachbart zu dem Drift-Bereich einschließt; Oxidieren zumindest der Seitenwände des Grabens zur Bildung von Gate-Auskleidungen benachbart zu den Seitenwänden; Bedecken der oxidierten Seitenwände mit einem elektrisch leitenden Material zur Bildung von Gate-Auskleidungen; und Abscheiden eines Isolier-Blockes zwischen den Gate-Auskleidungen und benachbart zu jeder Gate-Auskleidung.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin die Bildung eines Isolier-Körpers an dem Boden des Grabens umfasst, wobei der Isolier-Körper dicker als die Gate-Auskleidungen ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das leitende Material leitendes Polysilizium umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin das Verbinden der Gate-Auskleidungen mit einem leitenden Verbindungs-Element umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, das weiterhin das Verbinden der Gate-Auskleidungen mit einer Gate-Schiene über einen silizidierten Gate-Teil umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Gate-Auskleidungen aus dem Halbleiter-Körper heraus vorspringen.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem das Verbindungs-Element aus dem Halbleiter-Körper heraus vorspringt.
DE112006001969T 2005-07-27 2006-07-27 Leistungs-Halbleiter-Bauteil vom Grabentyp mit geteilter Gate-Elektrode Withdrawn DE112006001969T5 (de)

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US70291905P 2005-07-27 2005-07-27
US60/702,919 2005-07-27
US11/491,743 2006-07-24
US11/491,743 US7423317B2 (en) 2005-07-27 2006-07-24 Split electrode gate trench power device
PCT/US2006/029384 WO2007014321A2 (en) 2005-07-27 2006-07-27 Split electrode gate trench power device

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